Электронно-лучевая плавка (EBM):быстрая 3D-печать металла с качеством на станке с ЧПУ

3D-печать металлом изменила процесс изготовления сложных металлических инструментов и деталей. Электронно-лучевая плавка, или EBM, является разумной альтернативой механической обработке с ЧПУ и литью металлов благодаря ее способности печатать детали, обладающие долговечностью и прочностью металлов, но со скоростью 3D-печати.

EBM — это процесс плавления порошкового слоя, аналогичный SLM (селективному лазерному плавлению) и SLS (селективному лазерному спеканию), в котором каждый тонкий слой металлического порошка наносится на нагретый слой, а затем плавится или спекается на месте. Однако EBM отличается от этих процессов тем, что источником энергии, плавящим порошок, является электронный луч, а не лазерный луч, и процесс происходит в вакууме, а не при атмосферном давлении. Хром-кобальтовые и титановые сплавы — два наиболее часто используемых материала в 3D-печати EBM.

История электронно-лучевой плавки берет свое начало в 1993 году, когда ее принципы были впервые запатентованы компанией Arcam в сотрудничестве с Технологическим университетом Чалмерса в Гетеборге, Швеция. Их целью было создание 3D-объектов слой за слоем путем плавления электропроводящих металлических порошков лучом электронов. В 1997 году компания Arcam была реорганизована в Arcam AB, которая продолжила разработку и коммерциализацию процесса 3D-печати EBM.

В этой статье мы углубимся в электронно-лучевую плавку и обсудим все, от того, что это такое, до ее преимуществ и недостатков, а также ее сходств и отличий от других процессов 3D-печати.

Что такое электронно-лучевая плавка (ЭЛП)?

Электронно-лучевая плавка — это процесс 3D-печати, в котором используются электропроводящие металлические порошки и пучки электронов для изготовления деталей слой за слоем. Чтобы процесс работал, в камере печати должен быть создан вакуум около 0,0001 мбар. В отсутствие вакуума высокоэнергетические электроны чаще сталкиваются с молекулами газа, отбирая у луча энергию, необходимую для завершения процесса печати. После создания вакуума рабочая платформа нагревается до чрезвычайно высоких температур (около 600–1000 ℃), и металлический порошок точно осаждается, формируя текущий слой поперечного сечения печатаемой детали. В этот момент электронный луч тщательно перемещается по платформе сборки и использует еще более высокие температуры для выборочного плавления и сплавления нового слоя порошка с ранее напечатанными слоями. Как только уровень будет завершен, платформа сборки упадет на величину, эквивалентную одному слою. Этот процесс повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет напечатана.

Схема электронно-лучевой плавки

Какова история печати EBM?

Технология электронного луча возникла в 1869 году, когда Иоганн Вильгельм Хитторф и Уильям Крукс экспериментировали с катодными лучами (еще один термин для обозначения электронных лучей) в газах для плавления металлов. Их эксперименты привели к множеству открытий. Однако только в 1952 году доктор Х.К. Карл-Хайнц Штайгервальд разработал первые практические электронно-лучевые процессы для коммерческого использования. На тот момент электронные лучи в основном использовались для сварки. Более 40 лет спустя, в 1993 году, принципы и теория доказательной медицины были впервые запатентованы шведской компанией Arcam. Это стало возможным благодаря сотрудничеству с Технологическим университетом Чалмерса в Гетеборге, Швеция. В 1997 году компания была реорганизована в Arcam AB, продолжая развивать и коммерциализировать процесс 3D-печати EBM. Arcam AB была приобретена GE в 2016 году и интегрирована в GE Additive.

Какова цель электронно-лучевой плавки?

Целью электронно-лучевой плавки является изготовление металлических деталей методом 3D-печати (аддитивное производство). Точнее, электронно-лучевая плавка — это метод создания металлического компонента путем плавления определенных образцов материала вместе, по одному слою за раз. Существует множество различных подходов к аддитивному производству, но основная цель EBM — производство с использованием металлов с высокой температурой плавления. Его применение в первую очередь связано с созданием сложных и замысловатых деталей для аэрокосмической и медицинской областей.

В чем важность электронно-лучевого плавления?

Важность электронно-лучевой плавки заключается в том, что она позволяет использовать такие металлы, как титан и высоколегированную инструментальную сталь, в приложениях 3D-печати. Таким образом, EBM открывает новые возможности для изготовления компонентов. Аддитивное производство позволяет создавать геометрии, которые ранее были невозможны, особенно детали со сложными внутренними элементами. Одним из преимуществ этого является то, что несколько компонентов можно изготовить как один с помощью аддитивного производства, что упрощает сборку. Однако аддитивное производство в основном разрабатывалось с использованием термопластических материалов, поскольку они относительно дешевы и имеют низкие температуры плавления. Это серьезно ограничивает полезное применение деталей, напечатанных на 3D-принтере. Важность электронно-лучевой плавки заключается в том, что с ее помощью можно изготавливать 3D-печатные детали из таких металлов, как титановые и никелевые сплавы. Металлы с высокой температурой плавления, благодаря своей прочности, биосовместимости и коррозионной стойкости, открывают широкий спектр применений, в которых можно извлечь выгоду из аддитивного производства.

Чем электронно-лучевая плавка отличается от традиционных методов производства?

Электронно-лучевая плавка отличается от традиционных методов производства, поскольку это метод аддитивного производства. Это означает, что EBM используется для изготовления путем последовательного добавления материала (по определенному шаблону) к создаваемому компоненту. Это фундаментально отличается от традиционных методов производства, которые либо начинаются с куска металла и удаляют материал для достижения окончательной формы (т. е. фрезерование и механическая обработка), либо используют формы для отливки расплавленного металла в определенную, заданную форму. Эти методы обычно имеют низкую эффективность использования материала (высокий процент переработанного материала) и требуют длительного времени выполнения и связанных с этим затрат на инструмент. С помощью EBM компонент можно изготовить непосредственно по цифровому проекту без потерь материала. Однако это еще молодая технология, поэтому оборудование и материалы все еще относительно дороги. Ожидается, что эти затраты будут снижаться по мере развития технологии.

Для чего используется электронно-лучевая плавка?

3D-печать электронно-лучевым плавлением используется для мелкосерийного производства и проверки концепции деталей сложной геометрии. Системы EBM и порошки, используемые для печати, дороги, поэтому этот процесс редко используется для массового производства. EBM производит высокопрочные металлические детали, которые в основном используются в аэрокосмической, автоспортивной и медицинской промышленности. Детали, напечатанные EBM, используются в высокопроизводительных деталях, таких как лопатки турбин, компоненты двигателей, медицинские имплантаты и протезы.

На что похоже электронно-лучевое плавление?

Электронно-лучевое плавление похоже на другие процессы 3D-печати методом плавления в порошковом слое, например селективное лазерное плавление (SLM)  и селективное лазерное спекание (SLS). EBM использует пучок электронов для избирательного плавления и сплавления металлических порошков для формирования деталей слой за слоем. В SLM лазер избирательно плавит и сплавляет металлические порошки на нагреваемой платформе. SLS — почти идентичный процесс; однако полимерные порошки вместо металлических порошков избирательно спекаются и сплавляются лазером.

EBM отличается от этих двух процессов использованием электронного луча для создания деталей, а не лазера, необходимостью вакуума для печати деталей и необходимостью более высоких температур платформы сборки.

Как работает электронно-лучевая плавка?

3D-печать EBM стала возможной благодаря вольфрамовой нити, которая нагревается в вакууме для создания электронного луча. Как только создается вакуум, создается луч, металлические порошки наносятся на модельный лоток, и можно начинать печать. Ниже описаны этапы изготовления 3D-печатной детали EBM:

1. Металлический порошок наносится на платформу сборки для формирования текущего слоя поперечного сечения печатаемой детали.
2. Давление в камере 3D-принтера снижается примерно до 0,0001 мбар.
3. Когда достигается необходимый уровень вакуума, включается электронный луч и нагревает всю рабочую платформу до необходимой температуры (600-1000℃).
4. После того как рабочая платформа нагревается, электронный луч движется точно к ней, плавя и сплавляя частицы металлического порошка при еще более высоких температурах.
5. Когда один слой завершен, платформа сборки опускается на высоту, эквивалентную одному слою.
6. Наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет напечатана.
7. Детали оставляют охлаждаться (часто на ночь), прежде чем их вынимают из принтера.
8. После охлаждения деталей необходимо удалить остатки полуспеченного порошка и опорных конструкций.

Каковы основные компоненты машины электронно-лучевой плавки?

Ниже приведены основные компоненты машины электронно-лучевой плавки:

1. Электронно-лучевая пушка: Это источник энергии для плавления. Луч создается из вольфрамовой нити, но пистолет также включает в себя фокусирующую и отклоняющую катушки, которые направляют его в точные места в зоне сборки для плавления.
2. Вакуумная (строительная) камера: Производственный процесс происходит в вакуумной камере, в которой поддерживается вакуум для предотвращения окисления материала.
3. Бункер для порошка: Порошкообразный материал хранится в бункере для порошка, из которого он дозируется для плавления.
4. Валик для пудры: Порошковый валик перемещается по рабочей зоне, равномерно распределяя слой порошка. Таким образом, ролик перемещается по зоне сборки после плавления каждого слоя, чтобы подготовиться к плавлению следующего слоя.
5. Платформа создания: Платформа сборки — это поддержка последовательно создаваемого компонента. Платформа опускается небольшими шагами, так что самый верхний край детали находится на высоте, необходимой для формирования следующего слоя порошка.

Насколько точно плавится электронным лучом?

Печать EBM обычно менее точна, чем печать SLM. Это связано с тем, что в SLM используемые металлические порошки обычно более мелкие, а строительные слои обычно тоньше, чем в EBM. Более толстые слои в деталях, напечатанных EBM, могут привести к более грубой поверхности. Поэтому для деталей, напечатанных EBM, может потребоваться постобработка для получения желаемых допусков и качества поверхности.

Какие материалы можно использовать при электронно-лучевой плавке?

В EBM можно использовать только ограниченный диапазон металлов. Титан и хром-кобальтовые сплавы являются двумя широко используемыми материалами. Также можно использовать некоторые стальные порошки и Inconel 718. Поскольку для 3D-печати электронно-лучевым плавлением для изготовления деталей требуются электропроводящие материалы, полимерные и керамические материалы использовать нельзя.

Можно ли использовать электронно-лучевую плавку пластмасс?

Нет, электронно-лучевую плавку нельзя использовать для пластиковых материалов. Подавляющее большинство пластмасс не проводят электричество и, следовательно, не могут притягивать электронный луч. Кроме того, температуры, достигаемые при электронно-лучевой плавке, намного превышают температуру плавления большинства пластмасс, что приводит к обугливанию, а не плавлению.

Можно ли использовать электронно-лучевую плавку для керамики?

Нет, электронно-лучевую плавку нельзя использовать для обычной керамики. Чтобы привлечь электронный луч, материал, принимающий луч, должен быть электропроводным. Обычно это ограничивает технологию металлическими материалами, а большая часть керамики не является электропроводной. Хотя некоторые инженерные керамики являются проводящими, ни один из них в настоящее время не разработан для использования с EBM. 

Каковы преимущества электронно-лучевой печати?

Преимущества 3D-печати EBM:

1. EBM печатает детали высокой плотности с хорошими механическими свойствами.
2. EBM может печатать хрупкие детали, которые иначе невозможно было бы изготовить с помощью SLM-печати из-за повышенных температур печати в EBM.
3. Неиспользованный порошок можно переработать и использовать в последующих заданиях печати, что эффективно сводит к минимуму отходы и снижает затраты.
4. Электронные лучи, используемые в EBM, более мощные, чем лазерные лучи, используемые в SLM, поскольку использование вакуума гарантирует, что никакие посторонние молекулы не смогут помешать печати. Этот более высокий уровень энергии приводит к более высокой скорости печати для EBM по сравнению с SLM.
5. EBM может производить высококачественные детали, сравнимые с традиционными методами производства, такими как литье или обработка на станках с ЧПУ.

Каковы недостатки электронно-лучевой печати?

Недостатками 3D-печати EBM являются:

1. ЭЛП может быть исключительно дорогим процессом из-за электронно-лучевой технологии и используемых металлических порошков.
2. Только ограниченная группа металлов может быть напечатана с использованием процесса EBM.
3. Детали, напечатанные EBM, как правило, имеют меньшую точность размеров по сравнению с деталями, напечатанными SLM, из-за разницы в размере частиц порошка и высоте печатного слоя.

С какими проблемами сталкивается электронно-лучевая плавка?

EBM — очень интересный и многообещающий метод производства. Однако у современной технологии есть несколько ограничений, которые ограничивают ее использование. Во-первых, EBM разрешено использовать только с ограниченным количеством материалов. Больше порошкообразных материалов и марок, подходящих для использования с EBM, позволит обслуживать более широкий рынок. 

Еще одним ограничением технологии является то, что она использует довольно сложное оборудование. Способ, которым порошкообразный материал обрабатывается внутри машины и равномерно распределяется по поверхности сборки на протяжении сотен слоев, требует более сложного оборудования, чем другие типы аддитивного производства. Электронный луч сам по себе также является сложным источником энергии.

Эти аспекты в совокупности образуют еще одно ограничение EBM — это все еще дорогостоящий метод производства. Поэтому он имеет более узкий набор экономически эффективных вариантов использования, таких как дорогостоящие или изготовленные на заказ компоненты.

Какова технологическая цепочка изготовления детали с использованием электронно-лучевой плавки?

Первым шагом в производстве с использованием процесса электронно-лучевой плавки является создание электронной 3D-модели. Затем эта модель обрабатывается с помощью программного обеспечения «нарезки», чтобы разделить 3D-компонент на отдельные слои для печати по одному. Нарезанный 3D-файл затем отправляется на машину EBM.

На станке первая часть процесса заключается в загрузке порошкообразного материала для изготовления. Затем машина создаст вакуум в рабочей камере. Этот вакуум необходим для того, чтобы электроны электронного луча не взаимодействовали с какими-либо частицами газа, а также для того, чтобы плавящийся металл не окислялся. 

Как только производство начинается, тонкий слой порошка распределяется по всей площади сборки. Этот порошок сначала предварительно нагревается, а затем электронный луч расплавляет порошок. Электронный луч следует по определенному пути, расплавляя порошок только в тех областях, которые необходимы для затвердевания слоя создаваемого компонента. После завершения нанесения слоя рабочая пластина (и компонент) немного опускается, а поверх нее наносится новый слой свежего порошка. Этот порошок предварительно нагревается, а затем расплавляется электронным лучом для создания следующего слоя. После того, как деталь будет полностью изготовлена, слой за слоем, ее удаляют из камеры сборки, а излишки нерасплавленного порошка удаляют.

Какая температура необходима для EBM?

Часть процесса 3D-печати EBM, связанная с плавлением, может потребовать температуры, превышающей 2000 ℃, для плавления материалов с высокой температурой плавления, обычно используемых в проектах EBM-печати, таких как титан. Вольфрамовые сплавы могут требовать плавления при температуре более 3000 ℃.

Даже этап предварительного нагрева EBM-печати требует нагрева рабочей платформы до 600–1000 ℃. Предварительный нагрев платформы сборки до высокой температуры сводит к минимуму остаточные напряжения в печатной детали, что приводит к улучшению механических свойств. Однако более высокая температура рабочей платформы требует достаточной поддержки, чтобы предотвратить деформацию выступов.

Опоры помогают отводить тепло от детали к рабочей платформе, эффективно снижая термические напряжения по всей детали.

Почему процесс EBM выполняется в вакууме?

Процесс EBM выполняется в вакууме, чтобы уменьшить остаточные напряжения в печатных деталях и предотвратить окисление печатных деталей из-за повышенных температур. Если вакуума нет, электроны внутри луча могут столкнуться с молекулами, присутствующими в воздухе.
Это приведет к тому, что электроны будут чаще сталкиваться с молекулами газа, лишая луч энергии, необходимой для завершения процесса печати.
В обычной практике нагрев металлов при высоких температурах, например, при печати EBM, может привести к усилению окисления, что делает конечный продукт хрупким. Однако в EBM печать внутри вакуумной камеры практически исключает окисление и потерю пластичности и прочности, которые оно может вызвать.

Какие типы продуктов обычно производятся с использованием электронно-лучевой плавки?

Электронно-лучевая плавка обычно используется для производства металлических изделий для специализированных применений, таких как лопатки турбин для реактивных двигателей или специальные компоненты турбокомпрессоров для автоспорта. Эти типы продуктов изготавливаются таким образом, поскольку они могут извлечь выгоду из возможностей EBM по изготовлению сложных деталей из материалов, не подходящих для обычного литья. EBM также используется для 3D-печати индивидуальных титановых (биосовместимых) компонентов, которые используются для имплантатов и протезов в медицинской промышленности.

В каких отраслях промышленности преимущественно используется технология электронно-лучевой плавки?

Технология электронно-лучевой плавки обычно используется в отраслях, где требуются специализированные высокопроизводительные компоненты, такие как:

1. Аэрокосмическая отрасль: EBM используется для изготовления турбинных лопаток реактивных двигателей и других важных компонентов аэрокосмической промышленности.
2. Медицинские: Титановые имплантаты производятся компанией EBM для медицинской промышленности благодаря возможности аддитивного производства создавать нестандартную геометрию для индивидуальных пациентов.
3. Автомобилестроение и автоспорт: Изготовленные на заказ высокопроизводительные детали изготавливаются из металлов с использованием EBM, а сроки разработки сокращаются по сравнению с традиционными методами производства.

Каковы применения электронно-лучевой плавки?

Применения электронно-лучевой плавки ориентированы на специализированные детали, изготовленные из ценных металлов, таких как титановые или никелевые сплавы. Таким образом, EBM применяется в первую очередь в аэрокосмической промышленности для таких изделий, как лопатки турбин реактивных двигателей, или в автоспорте для изготовления нестандартных компонентов турбокомпрессоров. Тот факт, что титан (биосовместимый) можно напечатать на 3D-принтере с помощью EBM, также означает, что он находит применение в медицинской сфере, особенно в ортопедии для протезов, таких как замена тазобедренных суставов.

Как электронно-лучевая плавка повлияла на аэрокосмическую промышленность?

Электронно-лучевое производство оказало влияние на аэрокосмическую промышленность, позволив изготавливать новые, более легкие компоненты из новых материалов. Процесс производства EBM принципиально отличается от традиционного процесса литья. Послойное построение компонентов позволяет создавать детали разной геометрии и использовать разные материалы (например, алюминид титана). Примером может служить возможность делать более легкие лопатки турбин для реактивных двигателей, что затем обеспечивает экономию топлива за счет снижения веса. EBM также позволяет вносить изменения в конструкцию между модулями, на что невозможно литье.

Есть ли медицинское применение технологии электронно-лучевой плавки (ЭЛП)?

Да, электронно-лучевая плавка имеет медицинское применение. Титановые сплавы являются распространенным материалом, используемым в EBM, а титан также часто используется для медицинских имплантатов из-за его биосовместимости и прочности. EBM в основном применяется в ортопедии, где широко распространены компоненты, напечатанные на 3D-принтере, такие как тазобедренные суставы.

Используется ли электронно-лучевая плавка (EBM) в производстве компонентов двигателей?

Да, электронно-лучевая плавка используется при производстве компонентов двигателей в автомобильной промышленности. Из-за стоимости детали, изготовленной с помощью EBM, ее использование ограничивается специализированными высокопроизводительными деталями, такими как специальные турбокомпрессоры. EBM чаще используется в аэрокосмической промышленности для производства компонентов реактивных двигателей, таких как лопатки турбин.

В чем разница между EBM и SLM 3D-печатью?

SLM (селективное лазерное плавление) — это процесс LPBF (лазерная сварка в слое порошка). Название «SLS» изначально было торговой маркой компании SLM Solutions (теперь Nikon SLM Solutions Group AG), но оно часто используется как общий термин для металлических систем LPBF.

Различия между 3D-печатью EBM и SLM:

1. EBM использует электроны для плавления порошков, а SLM использует фотоны лазера для плавления металлических порошков.
2. Для печати деталей EBM требуется вакуум, а SLM печатает детали с помощью инертного газа при давлении, близком к атмосферному.
3. EBM в основном обрабатывает титан, кобальт-хром и некоторые суперсплавы на основе никеля, а SLM поддерживает более широкий спектр металлов, включая нержавеющую сталь, алюминий и медь.
4. EBM обычно печатает детали с меньшей точностью размеров и более шероховатой поверхностью, чем SLM, из-за большего размера частиц порошка и необходимой высоты печатного слоя.
5. EBM дороже, чем SLM, из-за технологии EBM и используемых металлических порошков.

В чем разница между 3D-печатью EBM и DMLS?

DMLS (прямое лазерное спекание металла) практически идентично 3D-печати SLM. Название DMLS является зарегистрированной торговой маркой EOS GmbH. Несмотря на использование слова «спекание», на самом деле этот процесс плавит частицы, а не спекает их.

За исключением некоторых различий в параметрах печати между SLS и DMLS, по сути это одни и те же технологии.

Таким образом, различия между EBM и DMLS очень похожи на различия между EBM и DMLS.

1. EBM использует высокоэнергетический электронный луч для плавления металлических порошков, а DMLS использует мощный лазер для достижения того же процесса.
2. EBM работает в вакууме, тогда как DMLS работает в атмосфере инертного газа (например, аргона или азота) при давлении, близком к атмосферному.
3. EBM в основном используется для таких материалов, как титан, кобальт-хром и некоторые суперсплавы на основе никеля, тогда как DMLS подходит для более широкого спектра металлов, включая нержавеющие стали, алюминий, инструментальные стали и титан.
4. EBM, как правило, обеспечивает меньшую точность размеров, чем DMLS, из-за более крупных частиц порошка и более толстых слоев печати, что приводит к более грубой поверхности.
5. Машины EBM, как правило, более дорогие, хотя фактические затраты варьируются в зависимости от предполагаемого применения, выбора материалов и производственных потребностей.

Сводка

В этой статье кратко описана технология 3D-печати электронно-лучевой плавки (EBM), включая то, как она работает, ее преимущества, материалы и ее сравнение с другими процессами 3D-печати. Чтобы узнать больше о 3D-печати электронно-лучевой плавки и о том, как ее можно применить в своих проектах, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. Inconel® является зарегистрированной торговой маркой подразделения Huntington Alloys корпорации Special Metals Corp., Хантингтон, Западная Вирджиния.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Преобразование OBJ в файлы STL для 3D-печати:пошаговое руководство Понимание файлов VRML для 3D-печати:формат, функции и приложения